一種彈性膠粘劑在石英加速度計中的應(yīng)用

郭 祎，李 納，祝漢岐，章培成

（北京航天時代慣性儀表科技有限公司，北京100039）

一種彈性膠粘劑在石英加速度計中的應(yīng)用

郭 祎，李 納，祝漢岐，章培成

（北京航天時代慣性儀表科技有限公司，北京100039）

針對石英加速度計偏值問題，提出了擺片組粘接膠粘劑的選用原則，并應(yīng)用有限元軟件進行了仿真研究。分析結(jié)果表明，固化后彈性模量小的膠粘劑粘接面產(chǎn)生的應(yīng)力較小，有利于提高石英加速度計偏值的穩(wěn)定性。進一步對選用的彈性膠粘劑進行了強度檢測，測試結(jié)果表明石英加速度計的偏值穩(wěn)定性得到了明顯改善。

膠粘劑；石英加速度計；應(yīng)力；偏值

Abstract：To improve bias stability of quartz accelerometers，the paper presents a selection principle of adhesive to bond reed and coil，andmade a simulation analysis．The analysis shows that the stress of adhesivewith low elasticmodulus after curing is smaller and can help improving the stability of the quartz accelerometer bias．On the basis，the paper carry a strength test on the elastic adhesive，and the test results show that the stability of the partial stability of the quartz acceler?ometer is obviously improved．

Key w ords：adhesive;quartz accelerometer;stress;bias

0 引言

K0問題是提高石英撓性加速度計精度要解決的重要問題之一。K0問題，就是零偏穩(wěn)定性問題［1］。在影響K0的主要因素中，擺片和膠是兩個主要因素。這里主要考慮膠的因素，通過選用合適的膠，提高膠的性能，解決石英加表的連接強度和穩(wěn)定性問題。

偏值可表示為所有作用與擺組件上力矩的綜合作用，理想的結(jié)構(gòu)是撓性梁截面完全不受到應(yīng)力作用。擺片組是表芯中的重要件，骨架與石英擺片平面涂膠粘接如圖1所示。實際上擺片組中，帶線圈骨架與石英擺片的膠粘結(jié)構(gòu)中，由于膠粘劑固化后有一定的收縮效應(yīng)［2］，以及骨架和擺片材料線膨脹系數(shù)不一致，內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力始終存在。減小膠接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和熱效應(yīng)，有利于減小偏值誤差，提高偏值穩(wěn)定性。因此，選用合適的膠粘劑非常重要。

1 擺片組粘接常用膠粘劑情況

目前，擺片組的用膠情況大致可以分為2種。

1）固化后為玻璃態(tài)的硬性膠粘劑。目前常用的是單組份環(huán)氧膠，這種膠具有較大的彈性模量，量級在109Pa～1010Pa，具有較高的粘接強度和抗疲勞強度。然而從式（1）可以看出，在溫度變化過程中，這種膠粘接擺片組產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，會抵消一部分膠粘強度，這樣不僅影響表的精度，甚至影響表的可靠性。

2）固化后在工作溫度為高彈態(tài)膠粘劑。如美國某公司的硅橡膠，固化溫度約為150℃，固化時間為4h。這種膠具有高彈性，彈性模量較小，量級在107Pa～108Pa。20世紀80年代，森德斯坦公司為了減小QA系列石英加表擺片組中膠粘接結(jié)構(gòu)由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使用具有高彈性的硅橡膠替代之前的低膨脹環(huán)氧膠粘劑（彎曲模量約為11GPa），應(yīng)用于擺片組粘接中，取得了一定效果。

根據(jù)膠粘劑的選用原則，在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，粘接技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)著眼于膠接件體系的相互匹配，而不應(yīng)追求膠粘劑的某些單項優(yōu)異性能［3］。在骨架與石英擺片的粘接中，骨架材料為鋁合金，擺片材料為石英玻璃。由于石英玻璃的線膨脹系數(shù)為0．54×10－6，鋁合金的線膨脹系數(shù)為23．6×10－6，因此在溫度變化時，粘接結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生熱應(yīng)力，如式（1）所示。

式中，P為熱應(yīng)力，Δt為膠粘劑的固化溫度與室溫的差值，Δα為被粘接材料之間線膨脹系數(shù)的差值，E為膠粘劑的彈性模量，γ為泊松比。

從式（1）可以看出，膠粘結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力的大小與溫度的變化、材料的線膨脹系數(shù)差、材料的彈性模量成正比，并與泊松比有關(guān)［4］。因此，降低熱應(yīng)力的有效途徑一是采用低固化溫度膠粘劑以降低溫度差；二是采用模量低、延伸率高的膠粘劑以減小E。

基于上述分析，本文選用了一種彈性結(jié)構(gòu)膠粘劑。此膠粘劑為雙組分糊狀，高彈性，適用于金屬膠接，工作溫度為－55℃～60℃，剪切強度為15．9MPa，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

2 擺片組膠粘有限元分析

采用有限元法可以較精確地計算出內(nèi)應(yīng)力的大小、分布和應(yīng)力集中點［5?6］。為分析擺片組粘接結(jié)構(gòu)受力情況，運用有限元軟件建立了有限元模型［7?8］。

2.1 模型簡化與建立

為簡化模型，進行了以下內(nèi)容假設(shè)：

1）骨架、擺片、膠均為各向同性材料；

2）忽略骨架切口形狀；

3）假設(shè)固化后膠粘劑為彈性體，忽略各結(jié)構(gòu)件塑性變形；

4）粘接面涂膠完全均勻，厚度完全一致；5）忽略擺片面形和骨架粘接面面形影響。將模型簡化為軸對稱二維平面應(yīng)力模型，如圖2所示。

2.2 結(jié)果分析

在溫差為100℃條件下的計算結(jié)果經(jīng)過平面旋轉(zhuǎn)成的模型的應(yīng)力云圖如圖3所示，從圖3中可以看出膠層內(nèi)圈應(yīng)力較小，外圈邊緣附近應(yīng)力最大，該部位容易發(fā)生破壞。

（1）膠粘劑彈性模量對應(yīng)力的影響

本文對不同彈性模量 0．5GPa、1．0GPa、1．5GPa、2．0GPa的膠粘劑進行模型計算，從計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，膠粘劑彈性模量越大，粘接面的分布應(yīng)力也越大，具體如圖4所示。

（2）膠粘劑膨脹系數(shù)對應(yīng)力的影響

本文對具有不同熱膨脹系數(shù)10PPM、50PPM和100PPM的膠粘劑進行模型計算，從計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，膠粘劑對徑向應(yīng)力的影響較大，膨脹系數(shù)越大膠粘劑受到的壓應(yīng)力也就越大，如圖5（a）所示。而對軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力基本無影響，如圖5（b）、圖5（c）所示。這是因為擺片組粘接膠層厚度較薄為0．02mm，因此在軸向方向產(chǎn)生的熱變形較小。從圖5（d）等效應(yīng)力圖來看，采用低膨脹系數(shù)的膠粘劑有利于降低粘接應(yīng)力。

3 膠粘劑強度實驗

針對彈性膠進行了耐高低溫實驗，實驗方案和結(jié)果如表1所示。由實驗結(jié)果可知：彈性膠的剪切力、強度和能承受的最大加速度均優(yōu)于單組份環(huán)氧膠。

表1 兩種膠粘劑耐高低溫實驗數(shù)據(jù)Table 1 Tem perature test data of two kinds of adhesive

續(xù)表

4 實驗結(jié)果

在采用新的彈性較好的彈性膠粘接擺組件后，對6只樣機進行了模型方程參數(shù)標定和溫度系數(shù)測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出，K0的溫度系數(shù)均在15μg／℃以下，對085＃、044＃進行了為期2個月的穩(wěn)定性測試，數(shù)據(jù)如表3所示，從測試結(jié)果看，K0、K1、K2和δp在兩個月內(nèi)的數(shù)據(jù)均在10以下。

表2 溫度系數(shù)測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of temperature coefficient

表3 085＃和044＃兩個月長穩(wěn)測試數(shù)據(jù)Table 3 Two months stability testing of 085＃and 044＃

5 結(jié)論

本文針對石英加速度計出現(xiàn)的偏值問題，對擺片組用膠粘劑進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)在溫度變化環(huán)境下，采用彈性模量小、熱膨脹系數(shù)小的膠粘劑能顯著減小粘接面的熱應(yīng)力，提高石英加速度計的偏值穩(wěn)定性，降低偏值溫度系數(shù)。

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App lication of Elastic Adhesive in Quartz Accelerom eters

GUO Yi，LINa，ZHU Han?qi，ZHANG Pei?cheng
（Beijing Aerospace Times Inertial Instruments Technology Company，Beijing 100039）

U666．1

A

1674?5558（2017）02?01269

10．3969／j．issn．1674?5558．2017．04．008

郭祎，女，碩士，動力機械及工程專業(yè)，高級工程師，研究方向為石英撓性加速度計。

2016?04?20